Формирование и фокусировка интенсивных электронных пучков в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

УДК 537.533

004603430 На правах рукописи

Корнилов Сергей Юрьевич

ФОРМИРОВАНИЕ И ФОКУСИРОВКА ИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С ПЛАЗМЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ

01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН ?ою

ТОМСК -2010

004608480

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Защита состоится 6 октября 2010 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель:

доктор технических наук Николай Гербертович Ремпе

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Николай Николаевич Коваль (Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, г. Томск); доктор технических наук, профессор Павел Ефимович Троян (ТУСУР, г. Томск).

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург

Автореферат разослан « » 10 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ю.П. Акулиничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена исследованию формирования и фокусировки интенсивных электронных пучков в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером и направлена на создание электронных источников, формирующих остросфокусированные пучки с высокой плотностью мощности.

Остросфокусированные электронные пучки традиционно создаются источниками с накаленным катодом. В этих источниках из-за низких значений тепловых скоростей электронов теоретически могут быть достигнуты высокие плотности токов. В то же время, учитывая, что малые значения тепловых скоростей электронов обеспечиваются низкой температурой термокатода, не всегда удается достичь требуемой мощности пучков из-за низкой эмиссионной способности термокатода. Необходимая мощность при ограниченной эмиссионной способности термокатода достигается путем увеличения ускоряющего напряжения. Однако на этом пути существуют ограничения, связанные с тем, что при напряжениях более 80-100 кВ усложняется оборудование, требуется применение специальных мер защиты персонала.

Другой способ решения проблемы - использование электронных источников с плазменным эмиттером. Считалось, что область применения таких источников ограничена из-за проблем получения пучков с плотностью мощности более 106 Вт/см2. Это связывалось с относительно высокой температурой электронов в плазменных эмиттерах. Однако детальные исследования в этом направлении не проводились. В тоже время растущий спрос на остросфокусированные электронные пучки стимулировал работы по созданию совершенно нового класса источников электронов с плазменным эмиттером. Эти источники могут быть применены как в традиционных вакуумных электронно-лучевых технологиях, так и в условиях, при которых повышенные требования к геометрическим размерам электронного пучка становятся определяющими. Это могут быть, например, Electron Beam Melting и Electron Beam Drilling, а так же технологии, связанные с использованием газодинамических систем вывода пучков в атмосферу или газ повышенного давления.

Таким образом, тематика диссертационной работы, направленная на создание электронных источников с новыми, не достигавшимися ранее, параметрами, представляется актуальной.

Цель работы состояла в проведении исследований процессов формирования и фокусировки пучка в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером, создании источника электронов для получения остросфокусирован-ного электронного пучка с плотностью мощности не менее 107 Вт/см".

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Выполнены комплексные исследования процессов формирования и фокусировки пучков в электронно-оптической системе плазменного источника электронов на основе отражательного разряда с полым катодом.

2. Определены главные особенности электронно-оптической системы с плазменным эмиттером, отличающие процессы формирования и фокусировки пучков в ней от систем с накаленным катодом.

3. Показано, что совокупное действие проникающего в электронно-оптическую систему магнитного поля отражательного разряда и поля основной фокусирующей линзы может быть аналогично действию двухлинзовой магнитной фокусирующей системы.

Научная и практическая ценность работы.

1. Разработаны рекомендации по организации оптимальных условий откачки газа, напускаемого в разрядную камеру и конфигурации магнитного поля отражательного разряда в области формирования пучка плазменного источника электронов для получения остросфокусированных пучков.

2. Оптимизирована магнитная цепь для работы плазменного источника электронов в условиях интенсивной тепловой нагрузки на элементы разрядной камеры.

3. Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий формирование непрерывного остросфокусированного электронного пучка с плотностью мощности более 107 Вт/см2.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждаются удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных зависимостей, систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных и расчетных методик, практической реализацией научных положений и выводов в конкретных разработках, используемых как в промышленности, так и для проведения научных исследований.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Поперечные размеры электронного пучка, генерируемого плазменным источником на основе отражательного разряда с полым катодом, можно эффективно ограничить проникающим в область формирования пучка магнитным полем отражательного разряда. Наиболее полно такой эффект реализуется в электронно-оптической системе с полностью неэкранированным от магнитного поля плазменным эмиттером.

2. Ширина энергетического спектра сфокусированного электронного пучка, генерируемого в плазменном источнике на основе отражательного разряда с полым катодом, определяется, в основном, наличием в эмиссионном токе заметной доли быстрых электронов, ускоренных в катодном слое разрядного промежутка, и в меньшей степени связана с температурой плазменных электронов или ионизацией газа в промежутке ускорения.

3. В плазменном источнике электронов на основе отражательного разряда с полым катодом увеличение давления газа обуславливает, с одной стороны, сужение энергетического спектра электронного пучка в результате уменьшения доли быстрых электронов в пучке, с другой - расширение спектра за счет электронов, образованных в ускоряющем промежутке. При достижении некоторого порогового значения давления влияние первого фактора становится преобла-

дающим и таким образом обеспечивается более качественная фокусировка электронного пучка.

4. Оптимизация газовых условий и конфигурации магнитного поля в плазменном источнике электронов на основе отражательного разряда с полым катодом обеспечивает при ускоряющем напряжении уровня 50 кВ генерацию непрерывного острос(|юкотированного электронного пучка с плотностью мощности более 107 Вт/см".

Апробация. Результаты работ докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, Россия, 2007 г.), 10-й международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007г.), 4-й международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития» (Томск, Россия, 2007г.), 17-й международной конференции по пучкам заряженный частиц (Веатз'08) (Сиань, Китай, 2008), 9-й международной конференции по электронно-лучевым технологиям (ЕВТ'09) (Варна, Болгария, 2009г.), 3-м международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ, Республика Бурятия, 2009), 6-й международной конференции «Лучевые технологи и применение лазеров» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2009).

Результаты диссертационной работы использованы при создании реальных конструкций источников с плазменным эмиттером. Эти источники используются в промышленности и для научных исследований:

- на Чепецком механическом заводе корпорации «ТВЭЛ» (ОАО «ЧМЗ», г. Глазов) в технологическом цикле заварки и дегазации заготовок для промышленного производства сверхпроводящих материалов обмоток соленоидов термоядерного реактора в рамках программы ИТЭР;

- в Объединенном институте высоких температур РАН (г. Москва) для исследования свойств пылевой плазмы;

- в Новосибирском государственном университете для проведения исследований свойств импульсных сверхзвуковых газовых струй.

Личный вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик экспериментов, проведении исследований, анализе и обобщении их результатов. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации по внедрению результатов работы в реальную конструкцию плазменного источника электронов. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводились совместно с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах.

Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 13 работ, включая 3 статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК, 8 полных текстов докладов на международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация содержит 142 страницы машинописного текста, 60 иллюстраций, список цитируемой литературы из 107 наименований и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность, цель, научная новизна, научная и практическая ценность работы. Излагается краткое содержание диссертации, формулируются выносимые на защиту научные положения.

Первая глава "Системы формирования и фокусировки интенсивных электронных пучков в электронных источниках" носит обзорный характер. В главе проведен сравнительный анализ электронно-оптических систем с плазменным и твердотельным эмиттером, использующихся для получения сфокусированных электронных пучков. Показано, что электронно-оптические системы с плазменным эмиттером имеют ряд принципиальных отличий от систем с накаленным катодом. Отличия состоят не только в принципе получения электронов из плазменного эмиттера, но и в условиях формирования и фокусировки пучков.

Сделан вывод о том, что эти различия не позволяют напрямую использовать накопленные знания о фокусировке электронных пучков в приборах с накаленным катодом при разработке источников электронов с плазменным эмиттером.

Отмечено, что, несмотря на большое разнообразие существующих источников с плазменным эмиттером, в электронно-лучевых промышленных технологиях, где требуются сфокусированные электронные пучки, нашли применение источники с плазменным эмиттером преимущественно одного типа, основанные на отражательном разряде с полым катодом.

Выполнены оценки предельных параметров электронного пучка, формируемого в системах с плазменным эмиттером. Проведенные оценки показали, что к моменту выполнения настоящей работы параметры сфокусированных электронных пучков в системе с плазменным эмиттером не являются предельными. Расчеты показали, что плотность мощности пучков даже при невысокой (30 кВ) энергии электронов может на два порядка превышать плотность мощности достигнутую ранее (106 Вт/см2) в электронных источниках с плазменным эмиттером.

Показано, что на параметры электронно-оптической системы и пучка в источнике электронов с плазменным эмиттером на основе отражательного разряда с полым катодом влияет проникающее из разрядной камеры магнитное поле и газ, поступающий из разрядной камеры.

В заключении к главе сформулированы основные задачи исследований.

Вторая глава "Влияние магнитного поля газового разряда на формирование и фокусировку электронных пучков" посвящена анализу влияния проникающего в электронно-оптическую систему с плазменным эмиттером магнитного поля отражательного разряда на условия формирования и фокусировки электронного пучка.

Для анализа электронно-оптической системы с плазменным эмиттером в магнитном поле использован принцип классификации и терминология, принятые при рассмотрении систем формирования в электронно-лучевых приборах СВЧ. Распространенной поперечно-ограничивающей системой формирования пучков является система с продольным однородным магнитным полем, которое создается соленоидом или постоянным магнитом. При этом системы формирования с термокатодным эмиттером классифицируются по степени экранировки эмиттера от магнитного поля. Степень экранировки эмиттера - отношение индукции поля у эмиттера Ве к индукции В в области транспортировки электронного пучка.

Проведен расчет распределения магнитного поля в источнике электронов с плазменным эмиттером. Расчет, выполненный с помощью программы Бешт, основан на численном решении уравнений Максвелла методом конечных элементов. Для проведения теоретических и экспериментальных исследований была использована типичная конструкция источника с плазменным эмиттером.

Расчеты показали, что конфигурацией и величиной поля в области формирования пучка можно управлять подбором различных сочетаний магнито-проводящих материалов, из которых изготовлены электроды источника или отдельные их части. Определено, что управление конфигурацией и величиной проникающего в электронно-оптическую систему магнитного поля не оказывает существенного влияния на устойчивость и параметры разряда.

Расчет, результаты которого представлены на рисунке 1, демонстрирует возможность создания электронно-оптической системы с полностью неэкрани-рованным от магнитного поля эмиттером (Ве/В=1). Наличие вставки из немагнитного материала в эмиттерном электроде позволило переместить начало силовых линий магнитного поля выше эмиссионного канала и создать практически однородное магнитное по всей длине эмиссионного канала. В области ускорения величина магнитной индукции постоянна. Магнитное поле однородно, силовые линии параллельны оси.

Экспериментальное изучение формирования электронного пучка в ЭОС с полностью неэкранированным от магнитного поля эмиттером осуществлялась с помощью двойного вращающегося зонда. Зондовые характеристики пересчитаны в распределение плотности тока по сечению пучка (рис. 2). Из рисунка 2

поля в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером:

1 - эмиттерный электрод;

2 - ускоряющий электрод;

3 - элемент корпуса источника;

4 - силовые линии магнитного

следует, что в электронно-оптической системе с полностью неэкранированным плазменным эмиттером действие магнитного поля проявляется в эффективном ограничении поперечных размеров пучка при его ускорении и транспортировке. Плотность тока в пучке максимальна, распределение плотности более однородно по сечению пучка. С ростом ускоряющего напряжения влияние поперечной составляющей магнитного поля на формирование электронного пучка резко уменьшается.

В большинстве случаев электронный пучок на выходе из ускоряющего промежутка источника электронов с плазменным эмиттером расходящийся. Для получения пучка с хорошими параметрами в таких случаях целесообразно использовать двух-линзовую фокусирующую систему. При этом между эмиттером и основной линзой помещается дополнительная линза, задачей которой является формирование не расходящегося пучка.

Эксперименты показали, что величина и конфигурация магнитного поля дополнительной линзы может оставаться практически постоянной при регулировании ускоряющего напряжения в диапазоне 25-50 кВ. Постоянство магнитного поля, необходимого для формирования не расходящегося пучка, дает возможность использовать поле постоянного М.»тл магнита разрядной камеры. Для реализации этого необходимо правильно организовать магнитную цепь.

Рисунок 3 иллюстрирует реализацию указанной возможности путем использования вставок в эмиттерный и ускоряющий электроды, корпус источника и лучепровод, позволивших перераспределить поле отражательного разряда проникающего в электронно-оптическую систему и сконцентрировать часть этого поля в области, где размещалась дополнительная линза.

Третья глава "Влияние газа в области ускорения на формирование и фокусировку электронных пучков" содержит результаты исследований влияния на фокусировку электронного пучка потока газа из разрядной камеры в ускоряющий промежуток.

Рис. 2 - Распределение плотности

тока вдоль радиуса пучка при ускоряющем напряжении, кВ: 1- 10; 2-20

Рис. 3 - Распределение модуля магнитной индукции в двухлинзовой фокусирующей системе (1) и с использованием поля разряда (2) при ускоряющем напряжении ЗОкВ

Рис. 4 - Схема электронного источника (/) с анализатором Юза-Рожанского (1Г): 1 - полый катод; 2 - анод; 3 - постоянный магнит;

4 - эмитгерный электрод;

5 - ускоряющий электрод;

6 - фокусирующая катушка;

7 - обкладки анализатора;

8,9 -входная и выходная диафрагмы; 10 - коллектор электронов 1к

" VI

4700 4800 4900 5000 5100 №,эВ

Рис. 5 - Энергетические спектры электронов при ускоряющем напряжении 4,8кВ и величине напуска газа в разрядную камеру б, см3/час: 1 - 20; 2 - 40; 3 - 60

Поток газа в ускоряющем промежутке приводит к росту давления и увеличивает вероятность ионизационных процессов в нем. Ионизация газа может сопровождаться рождением вторичных электронов в ускоряющем промежутке. Вторичные электроны будут иметь энергию, отличную от энергии электронов, эмитированных с плазменной поверхности. Наличие в пучке электронов с различной энергией может ухудшать условия для его фокусировки. Для проведения исследований использовалась типичная конструкция источника на основе отражательного разряда с полым катодом. В качестве энергоанализатора выбран цилиндрический конденсатор Юза-Рожанского (рис. 4).

Выполнены измерения энергетического спектра пучка при различной величине напуска газа в разрядную камеру. Спектры (рис. 5) получены при напуске газа в разрядную камеру - 20, 40 и 60см3/час.

Показано, что энергетический спектр электронов в источнике с плазменным эмиттером является значительно более широким, чем спектр термоэлектронов. Уширение спектра в основном связано с наличием заметного по величине тока быстрых электронов и в меньшей степени с высокой температурой эмитированных электронов или многократными ионизациями газа в промежутке ускорения, как предполагалось ранее.

Определено, что с увеличением напуска газа в разряд доля быстрых частиц в пучке снижается. Энергетический спектр электронов может быть существенно сужен увеличением давления в разрядной камере и области первичного формирования пучка путем увеличения напуска газа в разрядную камеру с откачкой в основном через область эмиссии.

Левая ветвь характеристик, приведенных на рисунке 5, является крутора-стущей и для всех трех значений напусков газа является практически одинаковой. По-видимому, это связано с тем, что большинство ионизации ускоренными электронами происходит в непосредственной близости от эмитирующей границы плазмы (в области первичного формирования пучка). В этой области электроны приобретают необходимую для ионизации энергию, здесь же максимально и сечение ионизации. Максимальные значения тока коллектора соответствуют на спектрах диапазону энергии электронов около 4780-4820 эВ и достигаются уже при таком изменении напряжения на пластинах анализатора, которые соответствуют изменению энергии электронов примерно на 80-100 эВ.

Обращает на себя внимание наличие на всех спектрах участка, соответствующего группе высокоэнергетичных электронов (с энергией примерно от 4850 и более эВ). При малом напуске газа амплитуда тока этих электронов может составлять до 18-20% от максимального значения тока основной группы. Увеличение напуска газа и ускоряющего напряжения ток быстрых электронов снижается, однако группа быстрых электронов фиксируется на всех полученных спектрах. Можно предположить, что этот участок спектра образован быстрыми электронами из разряда, ускоренными в слое катодного падения потенциала. Наиболее выражен этот участок при наименьшем расходе напускаемого газа -20 см3/час.

Особенность приведенных спектральных характеристик состоит в том, что их вид слабо зависит от напуска газа. Вероятная причина слабой зависимости вида спектральных характеристик от напуска газа состоит в том, что все характеристики получены при высоком (достаточном для проявления ионизационных процессов) давлении газа в области первичного формирования пучка (локализации эмиссионной поверхности).

Эксперимент по измерению энергетического спектра электронов термокатодного источника показал, что увеличение ширины спектральной характеристики ускоренных электронов становится заметным уже при давлении ~ 10"4 мм рт. ст. Следовательно, можно ожидать уширения спектральных характеристик плазменного эмиттера и при существенно меньших напусках. Однако, 20 см3/час в условиях эксперимента - это значение напуска газа, близкое к пороговому. Горение газового разряда при меньшем напуске может сопровождаться обрывами тока и неустойчивостями.

Установлено, что повышенное давление в области эмиссионной границы - это практически неустранимый фактор работы электронного источника с плазменным эмиттером. В электронно-оптической системе с плазменным эмиттером оптимальным с точки зрения получения остросфокусированных пучков является режим работы с наиболее возможным по величине (до пробоев) напуском газа. Такой вывод противоречит принятым ранее правилам выбора оптимального режима эмиссии. Рабочим считался режим с минимальным по величине напуском газа.

Проведен эксперимент в результате, которого получены зондовые характеристики (распределения тока на зонд) сфокусированного электронного пучка (рис. 6). Зондовые характеристики сняты двойным вращающимся зондом с сохранением условий, принятых в экспериментах по изучению энергетических спектров ускоренных электронов. Из представленных характеристик видно, что с увеличением напуска газа в разрядную камеру ее ширина уменьшается, а амплитуда растет. Это означает, что при постоянстве тока пучка с увеличением напуска газа плотность тока в пучке возраста-Рис. 6 - Зависимости ет или> что аналогично уменьшается его

распределения тока на зонд при _

ускоряющем напряжении 4,8кВ и Диаметр. Путем стандартного пересчета величине наггуска газа в разрядную зондовых характеристик были получены камеру О, см /час: 1 - 20; 2 - 40; радиальные распределения плотности тока 3-60 по сечению пучка (рис. 7). Из рисунка 7

следует, что увеличение напуска газа в раз- уя, мал™* рядную камеру и повышение вследствие 16 этого давления нейтрального газа в области эмиссии, при постоянстве тока пучка и ускоряющего напряжения, приводит к росту плотности тока в сфокусированном пучке. Радиальные распределения плотности тока становятся более острыми, уменьшается диаметр так называемой зоны размытия пучка. Рост плотности тока или уменьшение диаметра в условиях эксперимента может происходить вследствие работы двух факторов. Во-первых, согласно проведенным оценкам, диаметр пучка тем меньше, чем выше концентрация плазмы в области эмиссии. Во-вторых, с ростом давления газа уменьшается доля тока быстрых электронов в полном токе пучка и как следствие уменьшается ширина энергетического спектра пучка. Это происходит из-за того, что с увеличением давления в области генерации плазмы большее число быстрых электронов расходуют свою энергию на ионизацию газа в объеме разрядной камеры.

В ранних работах было показано, что с повышением давления газа плотность плазмы на оси разряда при постоянном токе разряда снижается. Распределение плотности прикатодной плазмы становиться более равномерным. Сле-

1.2

0.4

-0.6

-03

0.3 0.6 г, мм

Рис. 7 - Кривые распределения плотности тока вдоль радиуса пучка при ускоряющем напряжении 4,8кВ и величине напуска газа в разрядную камеру <2, см3/час: 1 - 20; 2 - 40; 3 - 60

довательно, уменьшение диаметра сфокусированного пучка и рост плотности тока в нем в результате увеличения напуска газа, и как следствие рост давления в разрядной камере и области первичного формирования пучка происходит за счет уменьшения доли тока быстрых электронов в общем токе пучка.

Четвертая глава "Вопросы разработки источников электронов с плазменным эмиттером для получения сверхтонких сфокусированных пучков" посвящена вопросам разработки источников с плазменным эмиттером для получения остросфокусированных электронных пучков, представлены его параметры и характеристики, а также приведены некоторые его применения.

Показано, что в современных конструкциях разрядных камер источников электронов с плазменным эмиттером наиболее уязвимым со стороны теплового воздействия является магнит. При размещении магнита в вакуумном объеме разрядной камеры основным источником его нагрева является близко расположенный эмиттерный электрод. Для работы в условиях термически нагруженной разрядной камеры необходимо размещать магнит в таком месте, которое менее подвержено интенсивному тепловому воздействию или эффективно охлаждается. При этом принципиально важно сохранить конфигурацию магнитного поля в разрядном промежутке и областях электронно-оптической системы.

Разработаны рекомендации по организации магнитной цепи в источнике электронов с плазменным эмиттером в условиях интенсивной тепловой нагрузки на элементы разрядной камеры.

Рис. 8 - Конструкция разрядных камер (а) и распределения магнитного поля в них (б)

В обоих вариантах конструкций (рис. 8 а), в разрядном промежутке, создается магнитное поле с индукцией не менее 0,09 - 0,1Тл. Вынос магнита в объем, заполненный трансформаторным маслом, практически не изменяет распределение магнитного поля в нем (рис. 9). Силовые линии этого поля практически параллельны оси разрядной камеры.

Полученные результаты были использованы при создании источника по заказу концерна ТВЭЛ для Чепецкого механического завода. Разработанный источник работает в составе установки заварки и дегазации заготовок для промышленного производства сверхпроводящих материалов обмоток соленоидов термоядерного реактора в рамках программы ИТЭР.

Источник предназначен для герметизации (заварки) изделий, содержащих ниобий-титановый сплав с оболочкой из меди, из которых в дальнейшем получают сверхпроводящую проволоку. Для формирования сварного шва с необходимыми характеристиками некоторые типы медных оболочек (наиболее массивные) предварительно нагревают до температуры порядка 400°С, затем дополнительно прогревают расфокусированным электронным пучком зону сварки. Продолжительность сварочного цикла составляет 40-50 мин, величина тока пучка 140-150м А при токе разряда порядка 450мА. В таких режимах разогретая до высокой температуры медная оболочка и сама зона сварки с жидкометаллической ванной являются источниками интенсивной тепловой нагрузки для электронного источника. Кроме того, электроды разрядной камеры при генерации плазмы в предельных по мощности режимах выступают источниками теплового излучения. Конструкция источника с вынесенным в заполненный маслом объем магнитом обеспечила стабильную работу установки. Установка эксплуатируется с июня 2009 года.

Разработан электронный источник с плазменным эмиттером, обеспечивающий формирование непрерывного ост-росфокусированного электронного пучка с плотностью мощности более 107 Вт/см2.

Внешний вид и основные характеристики разработанного источника с плазменным эмиттером представлены на рисунках 10, 11 и 12.

Важным свойством источника электронов с плазменным эмиттером является стабильность пространственных характеристик пучка при регулировании его тока. В отличие от систем с термокатодом, изменение величины тока пучка в источнике с плазменным эмиттером не приводит к перемещению плоскости фокусировки (рис. 11).

г, мм

Рис. 9 - Распределение модуля магнитной индукции вдоль оси источника электронов с плазменным эмиттером: 1 - магнит в анодном блоке со стороны вакуумной части разрядной камеры; 2 - магнит в масле

Рис. 10 - Внешний вид источника электронов с плазменным эмиттером

/ф, мА

Рис. 11 - Зависимость диаметра пучка (1), тока основной линзы (2) и тока дополнительной линзы = 25кВ

(3) от тока пучка при иуск зуется для диагностики импульсных газовых струй (рис. 13 б)

Способность источников с плазменным эмиттером формировать остросфокуси-рованные электронные пучки с плотностью мощности выше 10бВт/см2 расширила область их применения. Созданный электронный источник успешно применен в установках для исследования плазменно-пылевых структур и импульсных сверхзвуковых струй атомарных и молекулярных газов.

Оборудование на основе источника электронов с плазменным эмиттером было поставлено в два научных учреждения. Это Объединенный институт высоких температур РАН, для проведения исследований свойств пылевой плазмы (рис. 13 а) и Новосибирский государственный институт, где источник с плазменным эмиттером исполь-

daMM

0.6 г

0.3

0.2

о

О 1п= 15 мА,/= 100 мм • [п = 25 мА,(= 100 мм V 1„ = 50 мА, I = 100 мм

О UycK = 30 кВ, 1п = 50 мА • UycK = 40 кВ, 1п = 50 мА 0.1 V Чуек = 50 кВ. 1п = 50 мА

50 100 150 200 250 300 350 400 450 0

I, мм

а

Рис. 12 - Зависимость диаметра пучка от расстояния до фокусирующей системы (а), тока пучка (б) и ускоряющего напряжения (в)

В заключении изложены основные результаты работы:

1. Определены особенности электронно-оптической системы с плазменным эмиттером источника электронов на основе отражательного разряда с полым катодом, отличающие процессы формирования и фокусировки пучков в ней от систем с накаленным катодом. Показано, что на формирование сфокусированного электронного пучка в плазменном эмиттере, наряду с известными факторами, такими как высокая температура электронов и подвижная эмитирующая граница плазмы, существенное влияние оказывают магнитное поле и газ.

2. Показано, что формирование пучка в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером на основе отражательного разряда в большинстве случаев происходит в проникающем из разрядной камеры магнитном поле. Диа-

метр сфокусированного электронного пучка может быть уменьшен в 2-3 раза при такой организации магнитной цепи в электронном источнике, когда реализуется вариант с неэкранированным от магнитного поля эмиттером. В этом случае совокупное действие проникающего в электронно-оптическую систему магнитного поля отражательного разряда и поля основной фокусирующей линзы аналогично действию двухлинзовой магнитной фокусирующей системы.

Рис. 13 - Схема экспериментальной установки на основе источника с плазменным эмиттером для исследования пылевой плазмы (а) и для исследования газовых струй (б)

3. Изучены особенности формирования и фокусировки пучков в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером при наличии потока газа из разрядной камеры в ускоряющий промежуток. Энергетические спектры эмитируемых плазмой электронов указывают на наличие в эмиссионном токе двух групп электронов. Одна из них - это группа «плазменных» электронов, ток которых составляет 80-90% тока пучка. Вторая группа - быстрые электроны с энергиями, превышающими энергию тепловых электронов. Показано, что увеличение напуска плазмообразующего газа приводит к сужению энергетического спектра за счет уменьшения доли быстрых электронов в общем токе пучка. Установлено, что оптимальным с точки зрения получения остросфокусирован-ных пучков является режим работы источника электронов с плазменным эмиттером с наибольшим по величине (до пробоев) напуском газа.

4. На основе проведенных исследований разработан плазменный источник электронов, обеспечивающий генерацию непрерывного остросфокусиро-ванного электронного пучка с плотностью мощности более 107 Вт/см2.

5. Созданные плазменные источники электронов нашли широкое применение, как в традиционных электронно-лучевых технологиях, так и в относительно новых применениях, в которых определяющими являются параметры сфокусированного электронного пучка.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Корнилов С.Ю., Лакида П.А. Фокусировка пучка в электронно-лучевой системе с плазменным эмиттером // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР - 2006» (4-7 мая 2006). - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2006. -Ч. 1.-С. 321-324.

2. Корнилов С.Ю., Кравцов А.В., Лакида П.А. Формирование прецизионных электронных пучков в системах с плазменным эмиттером // Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР-2007» (3-7 мая 2007). - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. - Ч. 1. - С. 259-265.

3. Корнилов С.Ю., Лакида П.А., Мазалов А.Л., Осипов И.В., Pay А.Г., Ремпе Н.Г. Электронно-лучевая система визуального контроля поверхности // Доклады Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития» (31 октября-3 ноября 2007). - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. - Ч. 2. - С. 7-11.

4. Корнилов С.Ю., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Получение остросфокусиро-ванных пучков в электронных источниках с плазменным эмиттером // Изв. Вузов. Физика. - Томск, 2007. - № 9. Прил. - С. 9-12.

5. Корнилов С.Ю., Осипов И.В., Pay А.Г., Ремпе Н.Г. Оборудование для электронно-лучевых технологических процессов // ПРИБОРЫ. - Томск, 2007. -№6.-С. 8-12.

6. Корнилов С.Ю., Лакида П.А., Мазалов AJI., Осипов И.В., Pay А.Г., Ремпе Н.Г. Электронно-лучевая система визуального контроля поверхности // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - Томск, 2008. - № 1. - С. 14-18.

7. Kornilov S.Y., Osipov I.V., Rempe N.G. Generation narrow focusing beams in plasma cathode electron guns. Materials of 17-th International Conference on High-Power Particle Beams. (Beams 2008) (6-11 July 2008). - Xi'an, China. 2008. -pp. 404-407.

8. Корнилов С.Ю., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Получение остросфокусиро-ванных пучков в электронных пушках с плазменным катодом// Приборы и техника эксперимента. - 2009. - № 3. - С. 104-109.

9. S.Y. Kornilov, I.V. Osipov, N.G. Rempe Simulation of emitting processes in plasma-cathode electron gun // Elektrtehcnica & Eleltronica. - 2009. - Vol. 44. -No. 5-6.-pp. 177-180.

10. S.Y. Kornilov, I.V. Osipov, N.G. Rempe Properties of the beams produced in plasma-cathode electron-optical systems // Elektrtehcnica & Eleltronica. - 2009. -Vol. 44. - No. 5-6. - pp. 181-185.

11. S.Y. Kornilov, I.V. Osipov, N.G. Rempe Electron-beam equipment based on a plasma-cathode gun for science researches // Elektrtehcnica & Eleltronica. -2009. - Vol. 44. - No. 5-6. - pp. 201-203.

12. С.Ю. Корнилов, И.В. Осипов, Н.Г. Ремпе Новые возможности пушек с плазменным катодом: Получение сверхтонких стационарных электронных пуч-

ков// Труды III международного Крейнделевского семинара «Плазменная эмиссионная электроника» (ПЭЭ'2009) (23-30 июня 2009). - Улан-Удэ, Республика Бурятия: Изд-во БНЦ СО РАН, 2009. - С. 112-117.

13. Корнилов С.Ю., Осипов И.В., Ремпе Н.Г. Электронно-лучевое оборудование на основе пушки с плазменным катодом // Proceedings of VI international conference "Beam Technologies and Laser Application" (BT/LA -2009) (23-25 September 2009). - Saint-Petersburg: SPb Publ. Politechnical univ, 2009. -pp. 375-379.

Тираж 100. Заказ №810. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 53-30-18.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ФОКУСИРОВКИ ИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ ИСТОЧНИКАХ

1.1. Электронно-оптические системы термокатодных электронных источников

1.2. Особенности электронно-оптической системы с плазменным эмиттером

1.3. Свойства плазменного эмиттера

1.4. Формирование и фокусировка пучков в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером. Предельные возможности фокусировки

ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА НА ФОРМИРОВАНИЕ И ФОКУСИРОВКУ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ

2.1. Методики модельного и экспериментального исследований влияния магнитного поля на пространственные характеристики электронного пучка

2.2. Формирование и фокусировка электронного пучка в электронно-оптической системе с экранированным от магнитного поля плазменным эмиттером

2.3. Формирование и фокусировка электронного пучка в электронно-оптической системе с неэкранированным от магнитного поля плазменным эмиттером

Настоящая работа посвящена исследованию формирования и фокусировки интенсивных электронных пучков в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером и направлена на создание электронных источников, формирующих остросфокусированные пучки с высокой плотностью мощности.

В последние годы в отечественном приборостроении наблюдается процесс возврата к высокоэффективным технологиям, созданию которых в прошлом во многом способствовало развитие оборонной промышленности.

Термическое воздействие на материалы и сплавы электронными пучками относится к таким технологиям.

Электронный луч, вследствие малых размеров и большой плотности мощности, представляет собой уникальный технологический инструмент. Важной особенностью электронно-лучевых технологий является высокая * повторяемость и воспроизводимость результатов термического воздействия, что открывает возможность практически полной автоматизации процессов. Эти факторы в совокупности с недостаточным для удовлетворения спроса объемом выпускаемого в России электронно-лучевого оборудования определяют инвестиционную привлекательность разработок, направленных на создание современного оборудования.

Источники электронных пучков, применяемые в промышленности для термического воздействия на металлы и сплавы, должны обеспечивать стабильные энергетические и пространственные параметры электронного пучка в течение длительного времени. В реальных условиях промышленного производства действует целый ряд дестабилизирующих факторов, таких как «технический» вакуум, направленный парогазовый поток из области расплава, частые разгерметизации рабочей камеры установки, в том числе и аварийные. В этих условиях источники с плазменным эмиттером, не имея накаленных деталей, дают возможность поддерживать постоянными параметры электронного пучка более простыми способами, чем термокатодные источники.

Результаты многочисленных исследований и опыт эксплуатации электронных источников с плазменным эмиттером в различных условиях позволил выявить их технологические возможности и определить наиболее целесообразные области применения. Показано в частности, что.источники с плазменным эмиттером обеспечивают генерацию электронных пучков с плотностью мощности порядка 106Вт/см2 [1-6], не теряют работоспособность при воздействии паров металлов, в том числе тугоплавких, и газовых выбросов из зоны сварки, имеют большой ресурс, просты в обслуживании. Совокупность этих свойств позволяет использовать источники-с плазменным эмиттером в традиционных сварочных процессах. Кроме того, на их основе разрабатываются так называемые технологии реновации (упрочняющая наплавка, нанесение покрытий), которые в условиях экономии дорогостоящих материалов приобретают особое значение.

В- последние годы появился спрос на сверхтонкие электронные пучки. Остросфокусированные электронные пучки требуются для реализации, по крайней мере, двух технологических операций. Первая из них связана с воздействием электронными пучками на материалы в атмосфере или газе при давлении, близком к атмосферному. При этом высокая степень фокусировки не связана с конечным применением пучков, но является важной для разработки систем вывода пучков в область повышенного давления газа [7-8]. Вторая технологическая операция - это получение калиброванных отверстий малого диаметра в металлах [9-12].

Сфокусированные электронные пучки малого и сверхмалого диаметров традиционно создаются источниками с накаленным катодом. В этих источниках из-за низких значений тепловых скоростей электронов теоретически могут быть достигнуты чрезвычайно высокие плотности токов

13, 14]. В то же время, учитывая, что малые значения тепловых скоростей электронов обеспечиваются низкой температурой термокатода, не всегда удается достичь требуемой мощности пучков из-за низкой эмиссионной способности термокатода.

Необходимая мощность при ограниченной эмиссионной способности термокатода достигается путем увеличения ускоряющего напряжения. Однако на этом пути существуют ограничения, связанные с тем, что при напряжениях более 80-100кВ усложняется оборудование, требуется применение специальных мер защиты персонала.

Другой способ решения проблемы — использование электронных источников с плазменным эмиттером. Однако, долгое время считалось, что область применения электронных источников с плазменным эмиттером ограничена из-за проблем получения пучков с плотностью мощности более 10бВт/см2. Это связывалось с относительно высокой температурой электронов в плазменных эмиттерах. Однако влияние высокой температуры электронов на параметры фокусировки пучков детально не исследовалось. Вопрос об ограничениях, накладываемых на возможности источников с плазменным эмиттером по фокусировке, считался классическим и решенным, исследования в этой области - не перспективными. Спрос явился стимулом для ревизии традиционных представлений о невозможности получения остросфокусированных (сверхтонких) пучков источниками электронов с плазменным эмиттером.

Запланированные в настоящей работе исследования, направленные на создание электронных источников с новыми, не достигавшимися ранее, параметрами, представляют как научный, так и практический интерес и, следовательно, определят актуальность работы.

Цель работы состояла в проведении исследований процессов формирования и фокусировки пучка в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером, создании источника электронов для получения

•■'■•. 7 остросфокусированного электронного пучка: с плотностью мощности не менее 10'Вт/см2:

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Выполнены комплексные исследования процессов формирования и фокусировки пучков в электронно-оптической системе плазменного источника электронов на основе отражательного разряда с полым катодом.

2. Определены главные особенности электронно-оптической системы с плазменным эмиттером, отличающие процессы формирования и фокусировки пучков в ней от систем с.накаленным катодом.

3. Показано,-что совокупное действие проникающего: в электронно-оптическую; систему магнитного поля; отражательного разряда и поля основной/ фокусирующей линзы может быть аналогично действию двухлинзовой-магнитной фокусирующей'системы.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработаны рекомендации по организации оптимальных условий откачки газа, напускаемого в разрядную камеру и конфигурации магнитного поля отражательного разряда в области формирования пучка плазменного источника электронов для получения остросфокусированных пучков.

2. Оптимизирована магнитная цепь для работы плазменного источника электронов в условиях интенсивной тепловой нагрузки; на элементы: разрядной; камеры.

3. Создан плазменный источник электронов, обеспечивающий формирование непрерывного остросфокусированного электронного пучка с

П О' ' плотностью мощности более 10 Вт/см .

Содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Определены особенности электронно-оптической системы с плазменным эмиттером источника электронов на основе отражательного разряда с полым катодом, отличающие процессы формирования* и фокусировки пучков.в ней'от систем с накаленным катодом. Показано, что на формирование сфокусированного^ электронного пучка- в плазменном' эмиттере, наряду с известными факторами, такими^ как, выcoкaя^ температура электронов» и подвижная' эмитирующая граница плазмы, существенное-влияние оказывают магнитное поле и газ.

2. Показано,- что формирование пучка" в электронно-оптической системе с плазменным? эмиттером» на основе отражательного разряда в. большинстве^ случаев происходит в проникающем из разрядной* камеры магнитном поле: Диаметр сфокусированного электронного пучка может быть уменьшен в 2 — 3 раза приг такой организации-магнитной цепи» в электронном источнике, когда реализуется вариант с неэкранированным от магнитного I поля эмиттером. В' этом случае- совокупное действие проникающего в электронно-оптическую систему магнитного поля-отражательного разряда и поля основной фокусирующей линзы аналогично действию двухлинзовой магнитной фокусирующей системы.

3. Изучены особенности формирования и фокусировки пучков» в электронно-оптической' системе- с плазменным эмиттером при наличии потока газа из разрядной камеры в ускоряющий промежуток. Энергетические спектры эмитируемых плазмой электронов указывают на наличие в эмиссионном токе двух групп электронов. Одна из них - это группа «плазменных» электронов, ток которых составляет 80-90% тока пучка. Вторая группа — быстрые электроны с энергиями, превышающими энергию тепловых электронов. Показано, что увеличение напуска плазмообразующего газа приводит к сужению энергетического спектра за счет уменьшения доли быстрых электронов в общем токе пучка. Установлено, что оптимальным с точки зрения получения остросфокусированных пучков является режим работы источника электронов с плазменным эмиттером с наибольшим по величине (до пробоев) напуском газа.

4. На основе проведенных исследований разработан плазменный источник электронов, обеспечивающий генерацию непрерывного остросфокусированного электронного пучка с плотностью мощности- более 107Вт/см2.

5. Созданные плазменные источники электронов нашли широкое применение, как в традиционных электронно-лучевых технологиях, так и в относительно новых применениях, в которых определяющими являются параметры сфокусированного электронного пучка.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждаются удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных зависимостей, систематическим характером исследований, использованием независимых дублирующих экспериментальных и расчетных методик, практической реализацией научных положений и выводов в конкретных разработках, используемых как в промышленности, так и для проведения научных исследований.

Материалы диссертационной работы опубликованы в статьях [76, 85, 107], а также в трудах международных и всероссийских конференций, симпозиумов и совещаний [50, 52, 69, 74, 75, 77, 95-97, 106].

Результаты работ докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, Россия, 2007 г.), 10-й международной конференции по плазме газового разряда и её применению (Томск, Россия, 2007г.), 4-й международной научно-практической конференции

Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного ' развития» (Томск, Россия, 2007г.), 17-й международной-конференции по пучкам заряженный частиц (Beams'08) (Сиань, Китай, 2008), 9-й международной конференции по электронно-лучевым технологиям (ЕВТ'09) (Варна, Болгария, 2009г.), 3-м международном Крейнделевском- семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (г. Улан-Удэ, Республика Бурятия, 2009), 6-й международной конференции «Лучевые технологи и применение лазеров» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2009).

Результаты диссертационной работы использованы при создании' реальных» конструкций источников с плазменным эмиттером. Эти< источники используются в промышленности и для' научных исследований:

- на Чепецком механическом* заводе корпорации «ТВЭЛ» (ОАО «ЧМЗ», г. Глазов) в технологическом, цикле заварки п> дегазации заготовок» для' промышленного производства сверхпроводящих материалов! обмоток соленоидов термоядерного реактора в рамках программы ИТЭР;

- в Объединенном институте высоких температур РА№(г. Москва)^ для исследования свойств пылевой плазмы;

- в Новосибирском государственном университете для проведения исследований-свойств импульсных сверхзвуковых газовых струй.

Личный* вклад- автора состоит в создании экспериментальной установки, выборе методик экспериментов, проведении исследований, анализе и обобщении1 их результатов. Автором самостоятельно выдвинуты защищаемые научные положения, сделаны выводы и даны рекомендации по внедрению результатов работы в реальную конструкцию источника с плазменным эмиттером. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводились совместно с соавторами, фамилии которых указаны в опубликованных по теме диссертации работах.

В заключение автор искренне благодарит д.т.н. Ремпе Н.Г., под руководством которого была выполнена работа. Автор признателен к.ф.-м.н. Осипову И.В. и д.т.н. Оксу Е.М. за конструктивные замечания.

1. Плазменные процессы в технологических электронных пушках / М.А. Завьялов, Ю.Е. Крейндель, A.A. Новиков, Л.П. Шантурин. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 256 с.

2. Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов / Ю.Е. Крейндель. М: Атомиздат, 1977. - 144 с.

3. Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером / Под ред. П.М. Щанина. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993. - 148 с.

4. РемпеН.Г. Разработка, и внедрение электронно-лучевой аппаратуры на основе источников с плазменным эмиттером: Дис. . д-ра т. наук. -Томск, 2002. -265 с.

5. БелюкС.И. Электронный источник с эмиттером на основе прикатодной-части отражательного разряда: Дис. . к-та т. наук. Томск, 1979.

6. Bennet M.G. Out-off-vacuum electron-beam welding / M.G. Bennet // Welding and Metal Fabrication. 1970. - pp. 105-113.

7. Entwicklung eines elektronenstrahlbasierten Mikro-Produktions

8. Zentrums. / S. Böhm, К. Dilger, G. Tanasie, M. Zah, A. Reiter, M. Franzkowiak, J. Bartle, T. Lower // Broschüre, pro beam AG & Co. KGaA,- Planegg. 2009.

9. Electron beam drilling apparatus, United States Patent, number 4467170, Aug. 21, 1984.

10. Backer For Electron Beam Hole Drilling, United States Patent, number 4239954, Dec. 16, 1980.

11. Dietrich v. Dobeneck Hole Drilling by Means of an Electron Beam, pro-beam, Miinchen.

12. Электронно-лучевая сварка / O.K. Назаренко, А.А. Кайдалов, C.H. Ковбасенко и др. Под ред. Б.Е. Патона. — Киев: Наукова думка, 1987. -256 с.

13. РыкалинН.Н. Основы электронно-лучевой обработки материалов/ Н.Н. Рыкалин, И.В. Зуев, А.А. Углов. -М.: Машиностроение, 1978. 239 с.

14. Гаврилов Н.В. Характеристики ионного источника с плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов / Н.В. Гаврилов, А.С. Каменецких // Журнал технической физики. 2004. - т.74. - вып. 9. - с. 97-102'.

15. Мартене В.Я. Инициирование объемного разряда низкого давления в плазменном источнике электронов с ленточным пучком / В.Я. Мартене // Журнал технической физики. — 1999. — т.69. — вып. 7. — с. 135-137.

16. Электронная пушка непрерывного действия с плазменным катодом большой площади / Ю.Е. Крейндель, В.Я. Мартене, В.Я. Съедин, С.В. Гавринцев// Приборы и техника эксперимента. — 1982. №4. — с. 178-180.

17. Новиков А.А. Источники электронов высоковольтного тлеющего разряда с анодной плазмой / А.А.Новиков. — М.:"Энергоатомиздат, 1983. -96 с.

18. Бурдовицин В.А. Плазменные источники электронов на основе разряда с полым катодом для генерации непрерывных пучков в форвакуумном диапазоне давлений: Дис. . д-ра. т. наук. Томск, 2005. — 222 с.

19. Oks E.M. Development of plasma cathode electron guns / E.M. Oks, P.M. Schanin // Physics of plasmas. 1999. - vol. 7. - № 5. - pp. 1649-1654.

20. Источники электронов с плазменным эмиттером на основе отражательного разряда с полым катодом. / B.JI. Галанский, В.А. Груздев, И.В. Осипов, Н.Г. Ремпе // Известия ВУЗов. Физика. 1992. - т. 35. - № 5. -с. 5-23.

21. Мытников A.B. Источник электронов с плазменным катодом длягенерации пучков в форвакуумном диапазоне давлений. / A.B. Мытников,t

22. E.M. Оке, A.A. Чагин // Приборы и техника эксперимента. — 1998. — № 2. — с. 95-98.

23. Плазменный эмиттер электронов, с сеточной стабилизацией. 1 / А.В: Жаринов, Ю.А. Коваленко, И.С. Роганов, П.М. Тюрюканов // Журнал технической физики. — 1986. — т. 56. — № 1. с. 66-71.

24. Osipov I. A plasma-cathode electron source designed for Industrial use / I. Osipov, N. Rempe// Review of scientific, instruments. 2000. - vol. 71. -№3.-pp. 1-4.

25. Ильюшенко B.B. Сильноточный электронный источник с плазменным эмиттером / В.В. Ильюшенко, Н.Г. Ремпе // Приборы и техника эксперимента. 2002. - т. 37. - № 4. - с. 73-77.

26. Мытников A.B. Плазменный источник электронов на основе разряда с полым катодом для генерации пучков в форвакуумном диапазоне давлений: Дис. . к-та. т. наук. Томск, - 2002.

27. Гаврилов Н.В. Расширение рабочего диапазона давлений газа и увеличение ресурса сетки плазменного катода в ионном источнике / Н.В.Гаврилов, A.C. Каменецких// Журнал технической физики. 2007. -т. 77. — вып. 3. — с. 12-16.

28. Оборудование для электронно-лучевой сварки / А.И. Чвертко, O.K. Назаренко, A.M. Святский, А.И. Некрасов. Под ред. С.М. Гуревича. -Киев: Наукова Думка, 1973. 408 с.

29. Molokovsky S.I. Intense electron and ion beams / S.I. Molokovsky, A.D. Sushkov. — Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005.-p. 281.

30. Кельман B.M. Электронная оптика/ B.M. Кельман, С.Я. Явор. — Л.: Наука, 1968.-488 с.

31. АлямовскийИ.В. Электронные пучки и электронные, пушки/ И.В. Алямовский. М.: Сов. радио, 1966. — 456 с.

32. Шерстнев Л.Г. Электронная оптика и электроннолучевые приборы / Л.Г. Шерстнев. М.: Энергия, 1971. - 368 с.

33. Numerical simulations of the thermionic electron gun for electron-beam welding and micromachining / Pavel Jánsky, Jakub Zlámal, Bohumila Lencová,' Martin Zobac, Ivan Vlcek and Tomás Radlicka // Vacuum. 2009. - vol. 84. -№ 2. -pp. 357-362.

34. An analysis of electron guns for welding / S.P. Sabchevski, G.M. Mladenov, S. Wojcicki and J. Dabek// Journal of Physics D: Applied Physics. 1996. - vol. 29. - № 6. - pp. 1446.

35. Клейнер Э.Ю. Основы теории электронных ламп. Учеб. Пособие для специальности «Электронные приборы» вузов / Э.Ю. Клейнер. — М.: Высш. Школа, 1974. 368 с.

36. БонштедтБ.Э. Фокусировка и отклонение пучков в электроннолучевых приборах / Б.Э. Бонштедт, М.Г. Маркович. М.: СовРадио, 1967. -272 с.

37. Слюсарев Г.Г. Методы расчёта оптических систем / Г.Г. Слюсарев. -М.: Машиностроение, 1969. 670 с.

38. Пирс Дж. Теория и расчет электронных пучков / Дж. Пирс. -М.: Сов. радио, 1956.-215 с.

39. Bartle Jan Electron Beam Welding Beyond the Ordinary Scale / JanBartle, Thorsten Lower, Dietrich Von Dobeneck// E+E. 2006. - 5-6. -pp. 41-45.

40. Reiser М: Theory and Design of Charged Particle Beams / M. Reiser. — Wiley, New York, 2008. *

41. ГерусВ.Л; Физические основы электронно-лучевых приборов/ В.Л. Герус. -М.: Наука, 1993. 352 с.

42. Овчаров В.Т. Уравнения электронной' оптики для плоскосимметричных и осесимметричных электронных пучков с большой плотностью тока/ В.Т. Овчаров// Радиотехника и электроника. 1962.— т. 6.-№8.-с. 1367-1378.

43. Царев Б.М. Расчет и конструирование электронных ламп/ Б.М. Царев- М.: Энергия, 1967. - 671 с.

44. Техника; и приборы сверхвысоких частот. Т. II. Электровакуумные приборы СВЧ: Учеб. Пособие для вузов1 по спец. «Электронные приборы»/' ИВ: Лебедева Под ред. Н.Д: Девяткова. М.: Высшая школа, 1972. - 376 с:

45. Эмиссионные характеристики источника электронов, с плазмой, ограниченной пристеночным ионным, слоем / В.Л. Галанский, В1 А. Груздев,

46. И.В. Осипов, Н:Г. Ремпе и др. // Журнал технической физики. 1992. -т. 62. - вып. 6: - с: 108-115;

47. Current Status, of the Plasma Emission Electronics: I. Basic physical processes / V.I. Gushenets,,E.M. Oks,,G.Yu. Yushkov, N.G. Rempe // Laser and' Particle Beams. 2003: — vol. 21. - No. 2. — pp. 123-138;

48. Груздев В. А. Эмиссионные методы диагностики? эмитирующей* плазмы / В.А. Груздев, И.В Осипов, Н.Г. Ремпе // Приборы и? техника эксперимента. 1997. - №1. - с: 111-114.

49. Ремпе Н.Г. Управление1 параметрами' электронного эмиттера- с плазмой, ограниченной пристеночным ионным слоем: Дис. . к-та физ.-мат. наук. Томск, 1985. - 153 с.

50. Параметры плазмы в эмиссионном канале плазменного эмиттера/ В.А. Галанский, В.А. Груздев, В.И. Зеленский, И.В. Осипов, Н.Г. Ремпе // Журнал технической физики. 1990. - т. 60. — вып. 4. - с. 168-170.

51. Корнилов С.Ю. Получение остросфокусированных пучков в электронных источниках с плазменным эмиттером / С.Ю. Корнилов, И.В. Осипов, Н.Г. Ремпе // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2007. №9. Прил. - с. 9-12.

52. БульО.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Магнитные цепи, поля и программа FEMM: учебное пособие/ О.Б Буль. М.: Академия, 2005. - 336 с.

53. Оке Е.М. Источники электронов с плазменным катодом / Е.М. Оке. Томск: Изд-во НТЛ, 2005. - 216 с.

54. Попович В.П. Пучково-плазменный разряд без магнитного поля /

55. B.П. Попович, И.Ф. Харченко, Е.Г. Шустин // Радиотехника и электроника. — 1973. т. 18. - № 3. - с. 649-651.

56. Иванов A.A. Перспективы использования плазменно-пучкового разряда в плазмохимии / A.A. Иванов, Т.К. Соболева, П.Н. Юшманов // Физика плазмы. 1977.- т.З.-№ 1.-е. 152-162.

57. Груздев В.А. Управление параметрами электронного эмиттера пристеночным слоем в эмиссионном канале / В.А. Груздев, Н.Г. Ремпе// IV Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докладов. — Томск. 1982. - ч. 1. - с. 94-97.

58. Семенов А.П. Некоторые свойства магнетронного разряда с полым катодом как генератора плазмы эмитирующей заряженные частицы / А.П.Семенов, И.А.Семенова// Журнал технической физики. 2005. -т. 75. - вып. 4. - с. 48-52.

59. Вольт-амперные характеристики отражательного разряда с полым катодом и самокалящимся элементом / В.А. Кагадей, A.B. Козырев, И.В. Осипов, Д.И. Проскуровский // Журнал технической физики. 2001. — т. 71.-вып. 3.-е. 22-28.

60. Никулин С.П. Тлеющий разряд с полым катодом в длинных трубках/ С.П.Никулин// Журнал технической физики. 1999. - т. 69. -вып. 6. - с. 36-39.

61. Никулин С.П. Условия существования положительно заряженной структуры в тлеющем разряде с осцилляцией электронов в магнитном поле /

62. C.П. Никулин // Журнал технической физики. 1998. - т. 68. - вып. 7. -с. 56-63.

63. Никулин С.П. Влияние размеров анода на характеристики тлеющего разряда с полым катодом / С.П. Никулин // Журнал технической физики. 1997 - т. 67. - № 5. - с. 43-47.

64. Бурдовицин В.А. О соотношении катодных токов в отражательном разряде с полым катодом / В.А. Бурдовицин, М.Ф. Репин // Известия вузов. Физика. 1990. - №4. - с. 64-67.

65. Крейндель М.Ю. Параметры плазмы в отражательном разряде с полым катодом/ М.Ю. Крейндель, И.В.Осипов, Н.Г. Ремпе// Журнал технической физики. 1992. - Т. 62. - № 10. - с. 165-169.

66. Крейндель Ю.Е. Влияние электронной эмиссии из плазмы на структуру отражательного разряда с полым катодом / Ю.Е. Крейндель, С.П. Никулин, O.A. Шубин // Журнал технической физики. — 1990. Т. 60. — №4.-с. 190-191.

67. Мартене В.Я. Проникновение плазмы из отражательного разряда в полый электрод при низком давлении газа/ В.Я. Мартене// Журнал технической физики. — 2002. — т. 72. вып. 11.-е. 44-51.

68. Kornilov S.Y. Simulation of emitting processes in plasma-cathode electron gun/ S.Y. Kornilov, I.V. Osipov, N.G. Rempe // 9-th International Conference on Electron Beam Technologies (EBT 2009). Varna, Bulgaria. 1-4 june 2009.5-6/2009. -pp. .177-180.

69. Коваленко Ю.А. Физические принципы построения и методы расчета газонаполненных ускоряющих систем с плазменными эмиттерами заряженных частиц: Автореф. .дис. к-та физ.-мат. наук. — М., 1995.

70. Назаренко O.K. Измерение параметров мощных электронных пучков методом вращающегося зонда / O.K. Назаренко, В.Е. Локшин, К.С. Акопьянц // Электронная обработка материалов. 1970. - № 1. - с. 87

71. Зуев И.В. Об измерении диаметра электронного луча методом вращающегося зонда / И.В. Зуев, A.A. Углов // Физика и химия обработки материалов. 1967. — №5. — с. 110.

72. A.C. 730189 (СССР). Устройство для диагностики пучков заряженных частиц / С.И. Белюк, В.А. Груздев, Н.Г. Ремпе.

73. Корнилов С.Ю. Получение остросфокусированных пучков в электронных пушках с плазменным катодом / С.Ю. Корнилов, И.В. Осипов, Н.Г. Ремпе // Приборы и техника эксперимента. — 2009. — №3. — с. 104-109.

74. Лоусон Дж. Физика пучков заряженных частиц / Дж. Лоусон. -М.: Мир, 1980-438 с.

75. Силадьи М. Электронная и ионная оптика: Пер. с англ. / М. Силадьи; пер. И.М. Ахмеджанов, пер. Ф.В. Пригара, пер. В. В. Овчаров. -М.: Мир, 1990.-638 с.

76. Владимиров B.C. Уравнения математической физики / B.C. Владимиров М.: Наука, 1976. - 528 с.

77. ГаллагерР. Метод конечных элементов. Основы/ Р. Галлагер. -М.: Мир, 1984. 428 с.

78. Зуев И.В. О распределении плотности тока по сечению электронного луча / И.В. Зуев, Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов // Физика и химия обработки материалов. — 1968. -№6. — с. 7-15.

79. Измерение профиля интенсивного электронного пучка/ А.В. Бублей, В.М. Панасюк, В.В. Пархомчук, В.Б. Рева// Приборы и техника эксперимента. 2006. - №1. - с 91-99.

80. Белюк С.И. Промышленное применение электронных источников с плазменным эмиттером / С.И. Белюк, И.В. Осипов, Н.Г. Ремпе // Известия вузов. Физика. 2001. - т. 44. - № 9. - с. 77-85.

81. Оборудование для электронно-лучевых технологических процессов / С.Ю. Корнилов, И.В. Осипов, А.Г. Pay, Н.Г. Ремпе // ПРИБОРЫ. 2007. - № 6. - с. 8-12.

82. Козлов И.Г. Методы энергетического анализа электронных потоков / И.Г. Козлов. М.: Атомиздат, 1971. - 182 с.

83. Афанасьев В.П. Электростатические анализаторы для пучков заряженных частиц / В.П. Афанасьев, С.Я. Явор. М.: Наука, 1978. - 224 с.

84. Galonska М. Charge sensitive evaluation and electron energy distributions of a vacuum arc plasma / M. Galonska, R. Hollinger and P. Spaedtke// Review of scientific instruments. 2004. - vol.75. - No.5. -pp. 1592-1594.

85. Афанасьев В.П. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел / В.П. Афанасьев// Соросовский образовательный журнал. 1999. — №2. -с. 110-116.

86. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин /

87. A.Н. Зайдель. Л.: Наука, 1985. - 112 с.

88. Kornilov S.Y. Influence of Gas Flow in Accelerating Gap on Beams Focusing in Electron-Optical System with Plasma Emitter/ S.Y. Kornilov,iL

89. N.GRempe// 15 International Symposium on High Current Electronics:1 Proceedings. Tomsk: Publishing house of the IAO SB RAS. 19-24"September 2010. 2010. — (принят к печати)

90. Осипов И.В. Характеристики плазмы и эмиссионной системы источника электронов на основе отражательного разряда с полым катодом: Дис: . к-та физ.-мат. наук. — Томск, 1993. — 112 с.

91. Пылевая плазма / B.E. Фортов,- А.Г. Храпак, С.А. Храпак,

92. B.И. Молотков, О.Ф. Петров // Успехи физических наук. — 2004. т. 174. -№5. - с. 495-544.

93. Schnieder L., Seekamp-RahnK., Liedeker F. et al. // Faraday Discuss. Chem. Soc. 1991. - vol. 91. - pp. 259-265

94. Zacharias H., Loy M.M.T., Roland P.A. et al.// J. Chem. Phys. -1984.-vol. 81. -№ 7. — pp 3148-3157.

95. Hosokai T., Kinoshita K., Watanabe T. et al.// Proc. EPAC. Paris, -2002.-pp. 981-983.

96. Деревянкин Г.Е., Дудников В.Г., Журавлев П.А.// Приборы и техника экспериментов. 1975. - № 5. — с. 168-169.

97. Опыт применения пушек с плазменным катодом для электроннолучевой сварки тепловыделяющих элементов атомных станций /

98. B.И. Васильков, A.A. Кислицкий, Н.В. Онучин, Р.Д. Пчелкин; В.В. Рожков, A.B. Ушаков, A.B. Струков, И.В. Осипов, Н:Г. Ремпе // Автомат, сварка. -2002.-№6.-с. 38-40.

99. Электронно-лучевая система визуального контроля поверхности/

100. На ОАО «Чепецкий механический завод» создано промышленное производство сверхпроводящих материалов для экспериментального термоядерного энергетического реактора по международной программе ИТЭР (International Termonuclear Experimental Reactor).

101. Электронная пушка с плазменным эмиттером работает на ОАО «ЧМЗ» с 2009 г. Существенных сбоев в ее работе не наблюдалось.

102. В настоящее время специалистами предприятия прорабатывается вопрос использования электронно-лучевых пушек с плазменным эмиттером для сварки трубных заготовок из циркониевых сплавов.

103. Настоящий Акт не является основанием для оплаты.

104. Зам. директора по произвол»1. К.М. Абрамушин1. Л«1. Югай34141)9-10-661. А корпорациятвэл

105. УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

106. В Объединенном институте высоких температур РАН создается установка для исследования свойств пылевой плазмы. В установке реализован метод исследования, основанный на воздействии сфокусированным электронным пучком на плазменно-пылевые структуры.

107. Применение в установке электронно-лучевого оборудования на основе источника с плазменным эмиттером существенно расширило ее функциональные возможности, повысило, надежность и удобство работы при проведении экспериментов.

108. Заведующий отделением СИТЭС ОИВТ РАН чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н. проф.

109. Заведующий лабораторией ОИВТ РАН к.ф.-м.н.

110. Старший научный сотрудник ОИВТ РАН к.ф.-м.н.2ии<.1. Петров О.Ф. /г*// Усачев А.Д./V1. Гавриков А.В. /

111. Федеральное агентство по образованию

112. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

113. Новосибирский государственный университет»

114. Для генерации электронного пучка в установке ЛЭМПУС используется источник электронов с плазменным эмиттером. Формируемый источником электронный пучок в полной мере удовлетворяет требованиям задач исследований.

115. Следует отметить, что распространение импульсной струи может сопровождаться заметным повышением давления в вакуумной камере. Источник с плазменным эмиттером показал стабильную работу при изменении вакуумных условий.

116. Зав. отделом ПФ, к.ф.-м.н., ст.н.с.

117. Ст. науч. сотр., к.ф.-м.н., ст.н.с.